[发明专利]一种在软骨力学性能测试中运用数字图像相关技术的方法

说明书

技术领域

本发明涉及生物组织中软骨力学性能测试技术，特别是一种在在软骨力学性能测试中运用数字图像相关技术的方法。

背景技术

[0002] 随着计算机技术、现代光电子技术以及数字图像处理水平的发展，数字图像相关方法日益成为实验力学领域的一种重要的测试方法。生物组织不同于一般的材料，相对其他材料，其独特性就在于它的结构复杂，组成多样。生物组织及软骨一般由流固耦合材料组成，活体力学环境非常复杂，在对其力学性能进行测试的过程中要求较严格。合适的力学测试关系到对组织各方面性能的了解、体外培养、疾病治疗以及医疗事业的发展等重要的领域。而鉴于数字图像相关技术优良的测量优势，恰能在很大程度上满足对生物组织的测试。数字图像相关方法具有测量光路简单，对测量环境的要求较低，测量的速度快、精度高，易操作，非接触，全场性的特点。因此，近些年越来越多的国内外研究者运用这一方法对自己的研究对象进行测试，并取得了可观的成就。

关节软骨是包围某些骨头表面末端的结缔组织。成人关节软骨，通常看上去是相对均衡的，而事实上关节软骨是由复杂材料构成，是不均一和各向异性的。关节软骨多相性和各向异性现象显然不仅在于它的结构和构成，而且在于它的生物力学性质。软骨在压缩和拉紧时都表现出极强的深度关联变化。了解软骨生物力学的性质和行为对了解关节连接的健康和病症是很重要的。

目前关节软骨的力学性能实验主要来自离体软骨试件的拉伸或压缩试验，由于关节软骨固、液两相结构复杂，试件的获取、加工影响软骨力学性能结果的可靠性，在有关的文献报道中,实验得出的数据分散性强。这是由于试件脱离了原来不可分割的复杂环境。也有采用带有软骨下骨的软骨进行实验，主要进行压缩实验，但这些实验仅是反映了软骨宏观本构关系的实验，关节软骨精细的结构按照胶原纤维分布排列方式可以分为三层，浅表层位于软骨表层，并组成滑动表面，胶原纤维与关节表面平行，软骨细胞长轴向与关节表面平行；中间层的纤维与表面呈一定角度交错分布；深层的胶原纤维直径更粗。这些实验中不同区域的力学性能并没有给出，宏观力学性能的特征也没有不同层区力学行为进行解释。因此采用数字相关技术研究关节软骨宏观力学性能和区域的力学性能，获得软骨宏观和微观的力学性能规律。

采用数字相关技术研究关节软骨力学性能时，关节软骨横断面为图像采集面。普遍存在的问题是：关节软骨质地白色，要采集图像面标志点，需要合适的深色微粒形成斑点特征；关节软骨尺寸较小，加载头作用在软骨上接触处引起边界效应，引起软骨力学性能测试的误差；另外软骨为流固耦合材料，软骨测试时有组织液流出，使采集的图像模糊，影响采用数字相关的实施，这些缺点影响了软骨力学性能的测试。目前为止国内外采用数字图像相关技术进行宏观及微观两种角度测量的研究中，尽管突破了传统测试方法的种种局限，然而在解决边界效应对结果的影响、更好的模拟体内环境以及得到清晰可靠的结果问题上的权衡还不足。本发明就致力于解决这些方面的问题，使这种测试更完善可靠，结果更准确。

发明内容  

 本发明的目的旨在为克服现有技术的不足，而提供一种在软骨力学性能测试中运用数字图像相关技术的方法，该方法使可测量过程更接近人体的内部环境，测试结果更准确。

本发明的技术方案：

一种在软骨力学性能测试中运用数字图像相关技术的方法，步骤如下：

1）取带有软骨下骨的软骨作为测试样本；

2）把测试样本用夹具固定，并对软骨的图像观察面用透明玻璃挡住；

3）在软骨的图像观察表面嵌入深色纳米颗粒进行制斑，制斑密度为200-300颗/mm²；

4）将夹具的左右夹持部位固定在微型拉力机上实行加载，在加载过程中保持固定了软骨的夹具浸没在盛有生理盐水的玻璃器皿中。

所述深色纳米颗粒为黑色NiO纳米颗粒，粒径为10纳米。

所述生理盐水为重量百分比浓度为0.9%的氯化钠水溶液。